基于单片机的电导率仪设计探讨
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作者: 张宇
摘要：介绍了单片机的电导率仪的研究与设计，阐述了单片机电导率仪的基本工作原理、软、硬件以及各模块的设计。仪器所选用的激励源为方波电压源，减少了介质电极化的问题，使得电路设计进一步简化，其测量的精度比较高、抗干扰的能力比较强、能够自动实施温度补偿等特点。该仪器不仅能够单独运行、实时记录，还能够和PC机串行工作，有利于对数据进行保存以及管理，能够很好地应用于各种工业现场。
关键词：单片机；电导率仪；设计
中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）06-0154-01
电解质溶液有着良好的导电性能，而电导度（电导）指的是电解质溶液的导电能力的强弱。相同的电解质溶液，选择电极常数的不相同的电极进行测量，所得的电导并不相同，而单位电导也就是电导率不会受到电极常数的影响，所以，用电导率对溶液的导电能力进行描述更加准确。本文以C8051F单片机为例，探讨了电导率仪硬件与软件设计方法。
1 电导率仪系统基本组成
电导率仪系统主要包括单片微型计算机、温度与电导测量模块、记录输出仪、RS232通讯系统、LED panel（即LED显示屏）、键盘以及报警装置。该系统的核心装置就是单片机（型号为：C8051F020），这是一种有十二位位100ksps的八通道移动ADC的混合信号系统级MCU芯片（完全继承），有PGA接口以及能够对多路开关进行模拟，两个十二位数/模拟转换器，是可以单独工作的系统。其工作的基本原理是：电导与温度测量电路对于溶液的电导、温度的信号进行采集，通过放大偏移、限幅以及隔离之后，输入到单片微型计算机，通过内部的模拟开关进行分时记录，输入到内部移动ADC，通过转换之后的数据再经过处理之后输入到LED屏上加以显示。
2 硬件系统的设计
2.1 电导测量电路的设计
电导测量电路包括激励源所产生的电路、偏移放大以及限幅电路等。常规的电导测量系统大部分选择的激励源为高频正弦波从而对电导数据进行采集使得传感器完成激励，必须通过一定的程序比如相敏解调从而对交流信号实施处置，造成测试的系统的结构变得更加复杂，数据采集的过程比较长。本电导测量系统选择了一种新的激励方法，系统所选择的激励源为方波电压源。利用软件进行控制，使得模拟转换器采样跳过由于方波极性波动产生的脉冲波动区，落在电压波形平稳之后的位置，这等同于电极受到相同的直流电流信号的激励，节省了后续的处理电路。为了有效运用C8051F在片系统的基本功能，利用程序控制数/模转换器所输出的占空比为50％的脉冲波，利用偏移放大电路产生的比较平稳的方波电压当作系统的激励源。增加频率能够减弱介质的电极化效应，但是受到电容效应造成的影响，提高的频率不宜太高。通常在低导的时候选择低频，高导的时候选择高频，计算以及实验过程中发现，选择1000赫兹的频率其精度与适应性都比较好。
2.2 RS232通讯的设计
RS232C串行通信技术一般利用两条线能够在上位机和单片微型计算机之间实现全双工异步串行通信。C8051F单片卫星计算机输入输出为晶体管-晶体管逻辑电平，上位机所采取的标准串行接口是RS232，两者的电气规范并不相同，需要实施电平转换。+5伏的供电电源就能满足MAX232E芯片的要求，就能够完成晶体管-晶体管逻辑电平以及RS232C电平的相互转换。由于工业现场的干扰因素比较复杂，因此选择TLP521双光耦以及2个三极管，设计成一个简易的、成本比较低的隔离电路，以提高仪表的抗干扰能力。
2.3 记录仪输出的设计
C8051F的内集成为两个十二位数模转化器，其精度能够确保经过转换之后所输出的电压信号非常平稳，有足够高的分辨率，能够达到测量精度的规定。通过该分辨率足够高的电压来对电流源电路进行控制，从而达到由电压信号向4毫安至20毫安的标准工业电流信号进行有效转换。电路具备线性隔离的功能，包括1个放大器以及1片双光耦。双光耦选择TLP521，其中1个用以反馈，另外1个用来输出，从而对其非线性进行补偿。对于线性隔离电路前后级应当选择不一样的电源进行供电。试验证明，该隔离电路的线性误差小于等于0.2％。
2.4 温度测量及其补偿的设计
工业现场通常难以利用恒温法保持被测溶液在基准温度以下对其电导率进行测量，必须运用单片机实施温度补偿。该系统采取热电阻四线法对温度进行测量，并且设计了光电隔离装置，选择的恒流源为恒流管（3CR型），其温度系数比较低、起始的电压也比较低、电流非常稳定、可靠、电流恒定并且可以调节等特点。热电阻的2根引线和恒流管（3CR型）串联组成恒流电路，另外2根引线对信号进行采集。四线法测量温度能够消除引线电阻所产生的影响，然而配置软件线性化进行处理，其测量精度非常高。
3 系统的软件设计
软件程序主要包括：初始化、电导采样与温度采样、数据处理、显示子程序以及键盘处理等各种子程序组成。上电复位后首先必须执行的就是初始化程序，其功能是给单片机赋于初值，使之为正常工作做好准备，并且对中断的初始化进行设置。电导与温度信号的采集选用中断程序进行。电导采样子程序所起到的作用是作为激励源的开关、将延缓、稳定放大信号的时间以及模数转换。而数据处理子程序起到的作用对正负半周期所采集到的电导信号实施作差处理。由于利用作差值还能够有效消除直流激励检测系统产生的低频噪声，增强系统采集数据的精度。子程序还有对误差以及温度补偿进行计算。
参考文献
［1］王小利，董晓舟.单片机自动检测系统的设计［J］.实验室研究与探索，2010，（4）.
［2］刘新月，林波.基于软件温度补偿的水电导率仪控制系统设计［J］.天津工程师范学院学报，2010，（2）.
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